超声刻蚀法构建分级结构的超疏水表面

在湿法刻蚀和超声空化的基础上, 采用超声刻蚀法制备了具有微纳米分级结构的超疏水表面. 以等体积比的硝酸/乙醇(体积分数为4%)和双氧水(质量分数为30%)的混合溶液作为刻蚀剂, 在室温下对60Si2Mn钢、 60^#钢、 T10钢、 Cr06钢、 65Mn钢和硅钢表面超声刻蚀2~10 min, 构建出多种形貌的微纳米分级结构. 上述表面经氟硅烷修饰后具有超疏水性, 水的表观接触角高达157.0°, 155.8°, 157.4°, 154.9°, 157.6°和156.8°, 滚动角分别为6.5°, 19.2°, 6.1°, 7.8°, 6.7°和7.2°. 与常规刻蚀方法相比, 超声刻蚀的化学刻蚀作用因与空化作用耦合而得到强化和改变, 从而在钢表面构建出分级结构. 由于材料表面微结构形貌和固/液界面接触状态不同, 制得的超疏水表面表现出的润湿行为也不同. 超声刻蚀法简单易行, 成本低廉, 适用于其它金属表面构建微纳米分级结构和超疏水表面.     

可粘贴超疏水薄膜的制备

通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)与碳纤维织物复合, 采用模板法在PDMS聚合物表面构筑微阵列结构, 制备了一种具有可重复粘贴性的超疏水薄膜. 研究结果表明, 该薄膜微结构表面的接触角为154°, 滚动角为14°, 具有低黏附的超疏水特性. 而PDMS与碳纤维织物的紧密结合, 赋予了超疏水薄膜较高的黏接力和力学性能, 断裂强度达到116.96 MPa. 所制备的超疏水薄膜可粘贴于多种材料表面, 同时经过30 d的长时间粘贴以及50次的循环粘贴后, 该薄膜依然保持着较高的黏附性能及超疏水特征, 表明超疏水薄膜具有良好的力学稳定性及耐久性, 满足长时间可重复使用的要求, 可应用于对破损超疏水涂层的快速、 大面积粘贴修复.     

以砂纸为模板制作聚合物超疏水表面

报道了一种聚合物材料超疏水表面的简便制备方法. 以不同型号的金相砂纸为模板, 通过浇注成型或热压成型技术, 在聚合物表面形成不同粗糙度的结构. 接触角实验结果证明, 聚合物表面与水的接触角随着所用砂纸模板粗糙度的增加而加大, 其中粒度号为W7和W5砂纸制作的表面与水的接触角可超过150°, 显示出超疏水性质. 多种聚合物使用砂纸为模均可制备不同粗糙度及超疏水的表面, 本征接触角对复制表面浸润性的影响从Wenzel态到Cassie态而变小. 扫描电镜结果表明, 不规则形状的砂纸磨料颗粒构成了超疏水所需要的微纳米结构的模板.     

复合SiO2粒子涂膜表面结构及超疏水性能

采用溶胶-凝胶法制备不同粒径SiO₂粒子，通过表面改性得到不同形状复合粒子，并利用氟硅氧烷的表面自组装功能制备了具有“荷叶效应”的超疏水涂膜。通过原子力显微镜、扫描电镜和水接触角的测试对膜结构及性能进行了表征，探讨了SiO₂粒子的粒径和形状与表面微观结构、表面粗糙度和表面疏水性能的关系。结果表明含单一粒径粒子涂膜表面水接触角符合Wenzel模型，而复合粒子构成了符合Cassie模型的非均相界面;单纯的粗糙度因子不能反映水接触角的变化，复合粒子在膜表面的无规则排列赋予涂膜表面不同等级的粗糙度，使得水滴与涂膜表面接触时能够形成高的空气捕捉率和较小的粗糙度因子;其与在涂膜表面能形成自组装分子膜的氟硅氧烷共同作用赋予了涂膜超疏水性能，而这种超疏水性能与复合粒子的粒径大小和形状基本无关。     

超疏水二氧化钛薄膜的制备及其经紫外光照射引发的超亲水性研究

通过水热反应,在玻璃基底上沉积生成TiO₂薄膜,TiO₂薄膜呈花朵状,具有微纳米级的复合结构,在其表面有大量的乳状突起,经辛基三甲氧基硅烷表面修饰后表现出良好的超疏水性,静态接触角为164°,滚动角为4°。经紫外光照射4~6 h后,其表面变为超亲水性,接触角接近0°。用红外光谱,X射线光电子能谱(XPS)对其表面物质及元素进行表征,最后用Cassie理论对膜的润湿性进行了分析。     

含氟环氧树脂杂化纳米二氧化硅超疏水材料的制备与性能

目前超疏水材料的制备方法大都存在着制备工艺复杂的缺点。 本文采用传统自由基聚合方法,以甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)和苯乙烯(St)为单体,合成具有交联性的前驱聚合物P(GMA-r-St)。 再用三氟乙酸(TFA)对其进行接枝改性,制备含氟环氧聚合物P(GMA-r-St)-g-TFA。 利用γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)改性纳米二氧化硅(SiO₂),对其进行傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重(TG)表征。 氨基改性的纳米二氧化硅与含氟环氧聚合物混合制备的超疏水改性材料,棉织物表面经其浸泡,可快速构建超疏水结构。 通过改变改性纳米颗粒的含量,探究其构筑的棉织物的疏水性能和耐溶剂性能。 研究结果表明,经浸泡改性的棉织物,水接触角为160°,耐溶剂性时间为130 min,具备很好的耐溶剂性。 该方法可广泛应用于多种基底材料表面的疏水改性。     

阻燃超疏水棉纤维的制备及性能

将氢氧化镁(Mg(OH)₂)凝胶沉积到棉纤维上,以提高棉纤维表面粗糙度和阻燃性能,随后将含有Mg(OH)₂的棉纤维浸渍到聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液,获得阻燃超疏水棉织物。 并对棉纤维进行了傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、疏水性、热稳定性、阻燃性能和耐久性测试。 结果表明,Mg(OH)₂负载到织物上,使得织物表面具有一定的微/纳米结构,形成了粗糙涂层。 当Mg(OH)₂浓度为1.0 mol/L时,Mg(OH)₂/PDMS改性的织物接触角(CA)可达158°,极限氧指数(LOI)提升至24.5%,导热系数为0.0525 W/(m·K), 具有超疏水和阻燃性能。 整理后织物经过20次洗涤,100次磨擦,极端条件处理后,CA仍大于150°,LOI值高于23%,显示了较好的耐久性。     

超疏水性表面的制备及应用进展

近年来,受荷叶、水黾腿、壁虎脚等天然超疏水生物表面特性的启发,研究者们进行了大量仿生超疏水表面材料的制备及应用研究。超疏水性表面因其特殊的微纳分层结构,具有自清洁、防覆冰、防腐蚀、减阻等优异性能。本文阐述了表面润湿、疏水的基本机理,以及超疏水表面研究的理论基础,对超疏水表面制备的最新研究进展进行了综述,并揭示了研究中存在的问题。最后,介绍了超疏水表面在涂料、织物、防腐、抗菌及防雾等领域中的应用,展望了其未来的研究方向和前景。     

溶液浸泡结合表面涂层制备超疏水-超疏油表面

超疏水-超疏油材料在防污、防水、防油等领域有广泛的应用前景而引起人们极度关注。 本文用全氟辛酸溶液浸泡锌粉制得超疏水-超疏油锌粉,用聚乙烯醇胶将超疏水-超疏油锌粉粘合、固定到玻璃、木头、塑料、不锈钢、纸片、石头表面后可制得超疏水-超疏油表面,水滴、油滴在其表面的接触角均超过150°。 锌粉与全氟辛酸反应后生成Zn[CF₃(CF₂)₆COO]₂,氟代长链烷基的低表面能化学组成与微纳米粗糙结构的协调作用使其表现出超疏水、超疏油性能。 相关研究有望为超双疏材料的设计、制备及其在自清洁、防水防油及抗污等领域的应用提供借鉴。     

两性离子自组装仿生表面的制备、 表征及抗黏附性能

设计与合成了磺酸甜菜碱型的两性离子化合物: N,N-二甲基氨甲酸乙酯基丙基三乙氧基硅烷磺酸内盐(SiNNS), 利用红外光谱(FTIR)和氢核磁共振波谱(¹H NMR)对其分子组成与结构进行了表征. 通过自组装技术将SiNNS分子构筑在玻璃基材表面, 形成了模拟细胞外层膜的仿生表面. 利用原子力显微镜(AFM)、 X光电子能谱(XPS)和接触角测量仪对表面的形貌特征、 化学组成和润湿性进行了表征. 以空白玻璃为对照样品, 研究了这一表面的防雾性能和抗细菌黏附性能. 结果表明, 所制备的两性离子自组装仿生表面具有超亲水性和水下超疏油特性, 其水滴接触角为9.2°, 水下油滴接触角接近180°; 与对照样品相比, 两性离子自组装表面具有优异的防雾性与抗细菌黏附性.     

复合粒子涂膜表面疏水性能分形评价

采用接枝法和非均相乳液聚合与溶胶-凝胶法相结合技术,制备了不同形状的复合粒子,经低表面能的物质修饰后,其涂膜表面具有超疏水性。采用分形理论对涂膜表面疏水性进行评价,用分形维数表征涂膜表面微观形貌与疏水性能之间的关系,结果表明对于粗糙结构表面,分形维数较粗糙度因子能更好地反映表面形貌对水接触角的影响。     

行走的“红绿灯”——拨水剂的制备

物体表面的润湿性能与其表面特殊的微观几何结构和理化性能相关,是固体表面一种重要的特征,可用接触角的量化值衡量。润湿性不仅影响自然界的动植物生命活动,在人类的日常生活中的应用也十分广泛。本科普实验通过展示自然界中荷叶、水黾等生物的超疏水表面,对超疏水原理进行阐述,以帮助人们了解生活中超疏水材料的由来和发展。然后,利用溶胶-凝胶法制备超疏水材料,并进行对比实验以展示疏水效果。最后,我们将基于靛蓝胭脂红变色的“红绿灯”实验在超疏水材料上进行绘画展示,让人们亲身感受化学之美、化学之趣,并以此激发其对化学的兴趣,引发人们对材料科学的探索和思考。     

超疏水性生物表面的研究进展

介绍了几种天然超疏水生物表面的研究进展,包括蛾翅膀、蝉翼、蝴蝶翅膀、白蚁翅膀、甲虫,蚊子的腿、翅及其复眼,水黾的腿部和荷叶的表面。 对现有的仿生超疏水材料的制备方法及常用作表面修饰的低表面能材料做了简单的归纳与总结。 对超疏水材料研究面临的挑战及以后的发展趋势做了展望。     

受荷叶自清洁效应启发的手术服表面改性与防污染性能

为了提升当前商用手术服在特殊医疗手术环境下屏蔽携带病原体的血液或体液的性能,降低医护人员与患者因接触携带病原体的血液或体液而交叉感染的风险,受荷叶自清洁效应的启发,本文采用表面双疏处理技术,用含氟双疏处理液对商用手术服表面改性,来提升当前商用手术服在特殊医疗手术环境下对污染物(水、油、血液) 的屏蔽性能。 扫描电子显微镜和元素分析表征确定了含氟聚合物被成功固定在手术服表面。 对改性后的手术服的防水、防油、防血液污染性能检测发现:表面双疏改性可将手术服表面水接触角提升到(138±2)°,水滚动角降低至4.0°,表明其防水能力明显提升;改性后的手术服表面具有对油滴保持至少60 s不浸润,血液液滴在倾斜20.6°的改性手术服表面可快速滚落的特性,同时保持良好的透气性能(7.90 g/(min·m²))。     

氨气腐蚀法制备黏附性能可控的超疏水铜表面

采用简单便捷的方法制备出了具有不同黏附性能的超疏水表面. 通过控制氨气对金属铜表面的腐蚀时间, 分别制备了具有微米球及微米棒状结构的表面. 利用低表面能氟硅烷(FAS)修饰后, 2种表面均表现出超疏水特性(接触角均大于150°), 然而其黏附性能却截然相反. 具有微球结构的表面呈现出高黏附特性, 而具有微米棒状结构的表面则显示出低黏附特性. 研究发现, 表面不同的微观结构导致了液滴在其表面上分别处于Cassie-impregnating wetting态及Cassie态, 从而呈现出了不同的黏附性能.     

超疏水模型及其机理

超疏水表面是指具有非常高的水接触角,且水滴能轻易流动的表面。由于超疏水表面具有自清洁、防黏附、防雪黏等功能,在许多领域中用途广泛,有关超疏水表面制备和理论研究成为研究的热点。特别是有关超疏水表面的理论,由于涉及表面结构的优化设计,更受到了广泛的关注。本文综述了近年来超疏水理论的新进展,重点归纳了一些具有代表性的理论,如经典的Wenzel理论和Cassie理论、过渡态的产生及如何避免过渡态的问题、接触线理论、多尺度效应等,对各个理论的优缺点进行了系统地比较和评价,另外,对一些热点关注问题也进行了综述,并对超疏水理论的未来发展方向进行了展望。     

树莓状超疏水多孔复合棉纤维的制备及油水分离性能

基于聚多巴胺（PDA）的化学性质和树莓状纳米粒子的粗糙结构,以聚多巴胺包覆的棉纤维为基底,制备了具有多重粗糙度的树莓状超疏水多孔复合棉纤维材料.通过扫描电子显微镜观察树莓状超疏水多孔复合棉纤维表面的微观形貌,PDA-SiO₂纳米粒子稳定地固定在聚多巴胺涂覆的棉纤维表面.经过氟化改性的树莓状超疏水多孔复合棉纤维具有超疏水性,水接触角为158.2°,油接触角为0°.油/水分离实验结果表明,树莓状超疏水多孔复合棉纤维对己烷/水混合物的分离效率可达99.4%以上,使用20次后仍维持较高的分离效率.同时,其具有较高的溶剂吸附能力（13~34 g/g）、重复使用性及机械稳定性,吸油能力可与硅气凝胶相媲美.     

超疏水性表面在冷凝条件下的润湿特性

采用测量接触角和观测偏光显微镜对超疏水表面在冷凝条件下的疏水特性进行了研究, 发现冷凝蒸汽进入超疏水表面的微凸起内冷凝, 表面的疏水特性被破坏, 表面的润湿特性变得不均匀, 部分区域甚至呈现亲水状态. 根据实验结果提出了冷凝条件下粗糙表面表观接触角的计算模型, 并使用冷凝条件下表面接触角的测量结果进行了验证.     

疏水性杂化分子筛的控制合成及催化应用

以乙基三乙氧基硅烷和甲基三乙氧基硅烷为有机硅源, 分别通过转动和静态干胶转化法一步合成出乙基和甲基功能化杂化分子筛并对其进行了表征. 通过对合成路线、 有机基团碳链长度、 凝胶配比等的调变, 实现了对杂化分子筛疏水性的有效调控, 合成出水接触角为124°的疏水性杂化分子筛. 以疏水性杂化分子筛为载体制备的Ru负载催化剂在催化苯酚加氢反应中表现出优异的催化性能, 这归因于疏水/亲油的催化剂表面有利于苯酚分子在催化剂表面的富集进而促进反应的进行.     

基于热模塑法制备HDPE仿生超疏水表面

研究了热模塑法在制备超疏水高密度聚乙烯(HDPE)膜中的应用。以高岭土增强的聚二甲基硅氧烷(PDMS)为软模板,采用热模塑技术,将荷叶表面的微结构信息复制到HDPE膜表面。接触角测量结果显示,10%掺杂量的PDMS软模板复制得到的HDPE膜表面,与水的接触角高达156°,呈现超疏水性。扫描电镜照片显示,PDMS软模板具有与荷叶表面互补的"负型结构",而HDPE膜表面则具有与荷叶类似的微米—纳米复合粗糙结构。此法无需溶剂,可推广制备其它热塑性高聚物的超疏水表面。